Die Quantenverschränkung ist ein faszinierendes Merkmal der Quantenphysik – der Theorie des unendlich Kleinen. Wenn zwei Teilchen in einem verschränkten Zustand sind, bestimmt der Zustand des einen den des anderen, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Dieses verblüffende Phänomen, das kein Pendant in der klassischen Physik hat, wurde in einer Vielzahl von Systemen beobachtet und hat mehrere bedeutende Anwendungen gefunden, wie die Quantenkryptographie und die Quanteninformatik.
Künstlerische Darstellung eines verschränkten Top-Quark-Paares.
Bild: CERN
Im Jahr 2022 wurde der Nobelpreis für Physik an Alain Aspect, John F. Clauser und Anton Zeilinger verliehen, für ihre bahnbrechenden Experimente an verschränkten Photonen. Diese Experimente bestätigten die Vorhersagen über das Auftreten der Quantenverschränkung, die John Bell, ein mittlerweile verstorbener Theoretiker des CERN, gemacht hatte, und ebneten den Weg für die Wissenschaft der Quanteninformation.
Die Verschränkung war bisher wenig bei den hohen Energien untersucht worden, die in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) erreicht werden. In einem Artikel, der in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, beschreibt die ATLAS-Kollaboration, wie es ihr erstmals gelungen ist, die Quantenverschränkung zwischen fundamentalen Teilchen, sogenannten Top-Quarks, und bei neuartigen Energien zu beobachten.
Zuerst im September 2023 von ATLAS berichtet und später durch eine erste sowie eine zweite Beobachtung der CMS-Kollaboration bestätigt, hat dieses Ergebnis zu einer neuen Perspektive auf die komplexe Welt der Quantenphysik geführt.
"Obwohl die Teilchenphysik tief in der Quantenphysik verwurzelt ist, ist die Beobachtung der Quantenverschränkung in einem neuen Teilchensystem und bei einer viel höheren Energie als bisher möglich bemerkenswert", erklärt Andreas Hoecker, Sprecher von ATLAS. "Sie ebnet den Weg für neue Forschungen zu diesem faszinierenden Phänomen und eine Vielzahl von Studien, während unsere Datensätze weiterhin wachsen."
Die Teams von ATLAS und CMS haben Quantenverschränkung zwischen einem Top-Quark und seinem Antiteilchen beobachtet. Diese Beobachtungen beruhen auf einer kürzlich vorgeschlagenen Methode, die vorschlägt, am LHC erzeugte Top-Quark-Paare als neues System zur Untersuchung der Quantenverschränkung zu verwenden.
Das Top-Quark ist das schwerste bekannte fundamentale Teilchen. Normalerweise zerfällt es in andere Teilchen, bevor es Zeit hat, sich mit anderen Quarks zu verbinden, und überträgt seinen Spin und andere Quantenmerkmale auf die Teilchen, die aus seinem Zerfall hervorgehen. Durch die Beobachtung der Produkte dieser Zerfälle können Physiker die Ausrichtung des Spins des Top-Quarks ableiten.
Um die Verschränkung zwischen den Top-Quarks zu beobachten, wählten die ATLAS- und CMS-Kollaborationen Top-Quark-Paare aus den Daten der Proton-Proton-Kollisionen, die bei einer Energie von 13 Teraelektronenvolt während der zweiten Betriebsperiode des LHC zwischen 2015 und 2018 erzeugt wurden. Sie suchten speziell nach Paaren, bei denen beide Quarks gleichzeitig mit einer geringen Impulsdifferenz zueinander erzeugt wurden. In diesem Fall sollten die Spins der beiden Quarks stark verschränkt sein.
Der Nachweis des Verschränkungsphänomens und das Ausmaß der Spin-Verschränkung können aus dem Winkel zwischen den Richtungen abgeleitet werden, in die die elektrisch geladenen Zerfallsprodukte der beiden Quarks emittiert werden. Durch die Messung dieser Winkeltrennungen und die Korrektur experimenteller Effekte, die die gemessenen Werte verfälschen könnten, haben die Teams von ATLAS und CMS jeweils eine Spin-Verschränkung zwischen den Top-Quarks beobachtet, mit einer statistischen Signifikanz von über fünf Standardabweichungen.
In ihrer zweiten Studie suchte die CMS-Kollaboration auch nach Top-Quark-Paaren, bei denen beide Quarks gleichzeitig mit einem hohen Impuls relativ zueinander erzeugt wurden. In dieser Konfiguration sollten laut Theorie Position und relative Zeiten der beiden Top-Quark-Zerfälle für einen Großteil der Top-Quark-Paare den klassischen Informationsaustausch durch Teilchen verhindern, die sich mit höchstens Lichtgeschwindigkeit bewegen; auch hier hat CMS eine Spin-Verschränkung zwischen den Top-Quarks beobachtet.
"Mit Messungen der Verschränkung und anderer quantenmechanischer Konzepte in einem neuen Teilchensystem und in einem Energiebereich, der über das bisher Zugängliche hinausgeht, können wir den Standardmodelltest der Teilchenphysik aus neuen Blickwinkeln angehen und nach Anzeichen für eine mögliche neue Physik jenseits dieses Modells suchen", erklärt Patricia McBride, Sprecherin von CMS.
Weitere Informationen:
- ATLAS Nature Artikel
- Erste CMS-Studie
- Zweite CMS-Studie